大宁调蓄水库水生态监测成果分析及评价

孙昊苏 李 垒

(1.北京市南水北调大宁管理处，北京 102442；2.北京市水科学技术研究院，北京 100048)

近年来，中国在湖库富营养化防控方面加大了整治力度，但湖泊富营养化的事态并未得到有效遏制。巢湖、洞庭湖、滇池等湖泊均不同程度地存在富营养化风险［1-3］。科学、合理地评价湖库富营养化风险，对于区域水体水质保护有着十分重要的意义。湖库水质分析、富营养化评价的方法已较为成熟［4-6］。目前，由于南水北调中线工程通水不久，对大宁调蓄水库水质、富营养化评价的研究较少，而大宁调蓄水库水质、水生态状况的优劣，关系到北京城市用水安全，因此，开展大宁调蓄水库的水质和水生态指标连续监测和科学评价工作，及时掌握入库南水的水质状况，加强南水北调配套工程的水质保护，对提升北京城市供水安全保障率具有重要意义。

图1 北京城市供水新格局示意图

1 工程概况

南水北调中线工程，自2014年12月起自丹江口水库调水进京，截至2018年12月，进京江水累计超过40亿m3。工程通水后，显著增加了北京市水资源总量，提高了城市供水安全保障率，改善了居民用水条件，在改变首都水源保障格局的同时，也为北京赢得了宝贵的水资源涵养期［7］。

现阶段已建成的北京市南水北调配套工程包括：ⓐ输水管线工程：南干渠、东干渠、团城湖至第九水厂等工程；ⓑ调蓄库(池)工程：大宁调蓄水库、亦庄调节池、团城湖调节池等工程；ⓒ水厂工程：第三水厂、第九水厂、309水厂、门头沟城子水厂、郭公庄水厂、长辛店第一水厂、田村山水厂等工程［8］。已建配套工程和南水北调中线总干渠等工程共同构成了北京市“两大动脉、六大水厂、两个枢纽、一条环路、三大应急水源地”的“26213”供水新格局，见图1。其中，大宁调蓄水库是北京市南水北调配套工程的重要组成部分之一，承担着南水北调中线总干渠工程检修、突发事故等情况下的应急供水任务，是解决南水北调来水与北京市用水过程不匹配、保障北京城市供水安全的重要部分。

2 研究方法

2.1 样品的采集、选取与分析

大宁调蓄水库的水质监测工作由北京市南水北调水质监测中心负责，自2014年通水后连续监测至今，选取大宁调蓄水库泵站北侧位置为水质监测取水点，监测频次为每月1次(部分月份因冰冻等原因停测)。采用便携式多功能水质速测仪测量水温、pH值等常规物理指标；在实验室分析硫化物、硫酸盐、汞等无机物指标；分析挥发酚，阴离子表面活性剂，耗氧指标如溶解氧、高锰酸盐指数、化学需氧量等有机物指标；分析氨氮、硝氮、总氮、总磷等营养盐指标；分析锌、硒、砷、镉、铁、锰、铜、铅等金属离子指标，以及生物学指标粪大肠菌群，共计28项。2017年水质监测中汞、氰化物、挥发酚等15项指标均低于检出限，不再进行统计分析。本次研究选取水温T、pH值、溶解氧DO、高锰酸盐指数 CODMn、化学需氧量 COD、五日生化需氧量BOD5、氨氮NH3-N、硝酸盐氮NO3-N、总氮 TN、总磷 TP共10个指标进行分析。

2017年，大宁调蓄水库水生态监测工作由北京市水科学技术研究院负责实施，监测频次为每月1次(部分月份因冰冻等原因停测)，汛期加密。根据大宁调蓄水库水面及库底地形特点，选取库中4处监测位，共10个监测点进行连续监测，见图2，其中，1、2、3号监测点位分别取表层、中层、底层3个监测水样。水生态监测指标包括水深、透明度、总氮、总磷、叶绿素a、高锰酸盐指数、总有机碳、浮游植物定性定量等。监测和分析严格按照《水和废水监测分析方法》(第四版)中的监测分析方法进行。

图2 大宁调蓄水库水生态监测点布置图

2.2 数据的处理与评价

选取的10项水质指标，对其月监测平均值进行分析。采用Excel 2007软件和SPSS 22.0软件对水质数据进行统计和分析，低于检出限的数据，用1/2检出限代替。采用单因子标准指数法对水质指标进行评价，依据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)确定水质类别。

采用《地表水环境质量评价办法》(试行)中的综合营养状态指数法对大宁调蓄水库营养状态进行评价。采用0～100的数字，对水库营养状态进行分级：TLI(∑)＜30为贫营养；30≤TLI(∑)≤50为中营养；50＜TLI(∑)≤60为轻度富营养；60＜TLI(∑)≤70为中度富营养；TLI(∑)＞70为重度富营养。

综合营养状态指数计算公式为

式中：TLI(∑)为综合营养状态指数；Wj为第j种参数的营养状态指数的相关权重；TLI(j)为第j种参数的营养状态指数。

以chla作为基准参数，则第j种参数归一化的相关权重计算公式为

式中：rij为第j种参数与基准参数chla的相关系数；m为评价参数的个数(湖泊或水库的chla与其他参数之间的相关关系rij及r2ij见表1)。

（一）在识字教学中，要充分利用孩子爱想象地特点激发他们用自己的方法记忆汉字，并加以引导：根据字形，字的结构，各部分所表达的意思等来识记汉字。

表1 湖泊(水库)部分参数与chla的相关关系r ij及r2 ij值

各项目营养状态指数计算公式为

式中：chla单位为mg/m3，SD单位为m；其他指标单位均为mg/L。

浮游植物的优势种用优势度来表示，优势度Y计算公式为

式中：fi为第i种浮游植物出现的频率；pi为第i种浮游植物占所有浮游植物数量的比例。

3 结果与分析

3.1 水质指标特征

2017年，对大宁调蓄水库全年水温T、pH值、溶解氧DO、高锰酸盐指数CODMn、化学需氧量COD、五日生化需氧量 BOD5、氨氮 NH3-N、硝酸盐氮 NO3--N、总氮TN、总磷TP的含量变化情况进行了分析，见图3。水温T变化范围为2.0～29.6℃，受季节变化影响；pH值变化范围为7.5～8.5，总体呈弱碱性；溶解氧DO含量变化范围为7.4～12.5mg/L，夏季较低，其他季节较高，均达到Ⅱ类水标准；高锰酸盐指数CODMn含量变化范围为2.1～4.0mg/L，均达到Ⅱ类水标准；化学需氧量COD含量变化范围为5～11mg/L，均达到Ⅱ类水标准；五日生化需氧量 BOD5含量变化范围为0.5～2.6mg/L，均达到Ⅱ类水标准；氨氮NH3-N含量变化范围为0.071～0.324mg/L，均达到Ⅱ类水标准；硝酸盐氮NO3--N含量变化范围为0.068～0.349mg/L，均达到Ⅱ类水标准；总氮 TN含量变化范围为0.358～0.762mg/L，在Ⅱ类水标准和Ⅲ类水标准之间波动；总磷TP含量变化范围为0.01～0.02mg/L，均达到Ⅱ类水标准。

综上所述：大宁调蓄水库水体呈弱碱性，现状水质状况良好，达到地表水Ⅱ类标准。

图3 大宁调蓄水库2017年部分指标水质监测结果

表2 大宁调蓄水库综合营养状态计算

3.2 富营养化评价

2017年，对大宁调蓄水库综合营养状态进行了分析，计算结果见表2。2017年，大宁调蓄水库综合营养状态指数为41.63。对比《地表水环境质量评价办法》(试行)中的水库营养状态分级，大宁调蓄水库富营养程度为中营养。

3.3 浮游植物群落结构及优势度分析

3.3.1 大宁调蓄水库浮游植物群落结构

浮游植物的密度和种类变化会影响水体水质状态，它的群落结构和组成变化往往也预示着该水域水环境的改变［9］。2017年大宁调蓄水库共检测出浮游植物57种，其中硅藻门16种、绿藻门23种、蓝藻门7种、甲藻门3种、裸藻门2种、黄藻门2种、金藻门2种、隐藻门2种。大宁调蓄水库浮游植物群落结构时间分布见图4。从图4中可以看出，大宁调蓄水库浮游植物在8—10月迅速增长，且有暴发趋势。比重最大的是蓝藻门，其次为绿藻门。

图4 大宁调蓄水库2017年浮游植物群落结构时间分布

3.3.2 大宁调蓄水库浮游植物优势度时间累积分布

某种浮游植物的优势度大于0.02时，该浮游植物为优势种，大宁调蓄水库浮游植物优势种优势度时间累积分布见图5。从图5中可以看出，大宁调蓄水库3—4月浮游植物优势种较为单一，主要为脆杆藻；5—6月优势种开始增加；6月优势种最多；到7月优势种又逐渐减少；8月起拟柱孢藻占主导；9月之后鞘丝藻、假鱼腥藻、小环藻、锥囊藻、泽丝藻先后达到优势种水平。

图5 大宁调蓄水库2017年浮游植物优势种优势度时间累积分布

4 分析与探讨

4.1 大宁调蓄水库水质保护的优势

2017年大宁调蓄水库水质指标依据《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)达到Ⅱ类水标准，水质情况良好，能够满足作为一个城市备用水源地所应具备的水质条件；大宁调蓄水库现状水生态状况良好，浮游生物种类丰富，水源区是一个完整的生态系统，且水库能有效稀释上游来水［10］，自净能力较强；水库地处京西平原地区，春、秋季多风，且短时风力较大，水体常年流动，水库调水运行较为规律［11］。

4.2 影响大宁调蓄水库水质、水生态状况的主要风险

大宁调蓄水库水质风险主要是库北的小哑叭河。小哑叭河河道汇流面积近20km2，汇水区内主要涉及居民区及各类交通道路，有一定的生活污水汇集，汛期暴雨期间易形成径流，将囤积于河道内的生活污水冲入水库，是汛期潜在污染源。

通过分析2017年大宁调蓄水库水生态监测成果，发现8—10月水库藻类，尤其是蓝藻有暴发的趋势，优势种拟柱孢藻具有一定的毒性，可能影响水库水生动植物的生长，破坏水库生态。

4.3 维护水库水质、水生态安全的措施探讨

采用新挖小哑叭河河道工程措施，将河道末端引到库外是较好地消除水库水质污染风险的手段，但新建工程受地区规划和拆迁成本的影响较大，不易实现。通过整理水库近年暴雨引起洪水入库的情况分析，发现入库水量并不大，所携污染物不足以影响水库整体水质状况，并且，采取果断措施可以消除洪水入库对于水质的轻微影响。

有研究表明，通过生物操纵放养鲢、鳙等鱼类能够迅速改变浮游生物群落结构，改善水质指标［12］。对于大宁调蓄水库来说，水质风险主要存在于7—9月，但夏季鱼类采购困难，且投放成活率不高。因此，应当在入汛之前储备一定量的鱼类以备不时之需。水库在汛期调度极少，并且伴随长时间高温和暴晒，因此，在北京城市防汛的主汛期7—8月以及随后的9—10月均应该密切关注大宁调蓄水库TP、pH值和TN的变化，适时以滤食性鱼类，主要是鲢、鳙等，进行生态调节，提升水生态系统的自我调节能力［13］。

5 结论与建议

大宁调蓄水库水体呈弱碱性，现状水质良好，水质达到地表水Ⅱ类标准；采用综合营养状态指数法评价的水库水体为中营养状态。

对于大宁调蓄水库来说，主要风险发生的时间正处在汛期，应当做好充分的汛前准备，及时预估风险，保障安全；应主要预防蓝藻水华的发生。在水库水体趋于恶化时，应当采取果断措施，迅速控制藻类生长，消除水质安全威胁，维护水库生态稳定。